生物工藝學復習提要.doc

第一講 概論1、 至今生物技術的發(fā)展史上經歷了三個浪潮，分別是？醫(yī)藥生物技術，農業(yè)生物技術，工業(yè)生物技術2、什么是工業(yè)生物技術？ 應用自然科學和工程學的原理，依靠生物作用劑將物料進行加工以提供產品或用以為社會服務的技術。3、什么是生物煉制？有什么優(yōu)勢？ 生物煉制是利用農業(yè)廢棄物、植物基淀粉和木質纖維素材料為原料，生產各種化學品、燃料和生物基材料。生物煉制大幅擴展可再生植物基原材料的應用，使其成為環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的化學和能源經濟轉變的手段。4、工業(yè)生物技術重大產品系列包括哪些？生物化學品，生物材料，生物能源第二講 發(fā)酵概論1、發(fā)酵的定義？微生物把一些原料養(yǎng)分在合適的發(fā)酵條件下經特定的代謝轉變成所需產物的過程。2、有氧發(fā)酵與厭氧發(fā)酵的區(qū)別？介紹的產品中哪些是有氧發(fā)酵？哪些是厭氧發(fā)酵？ 有氧發(fā)酵：在有氧環(huán)境中進行有氧代謝生成丙酮酸，進入TCA循環(huán)，產生有氧代謝產品的發(fā)酵過程。厭氧發(fā)酵：在無氧環(huán)境中進行無氧酵解，丙酮酸繼續(xù)進行代謝生成無氧代謝產品。3、 發(fā)酵過程中菌體生長的階段？初級代謝產物，次級代謝產物分別在哪個階段生產四個階段：適應期，對數(shù)生長期，生長穩(wěn)定期，死亡期初級代謝產物是指微生物在對數(shù)生長期通過代謝活動所產生的、自身生長和繁殖所必需的物質，如氨基酸、核苷酸、多糖、脂類、維生素等。次級代謝產物是指微生物在生長穩(wěn)定期合成的化學結構十分復雜、具有特定功能、與微生物生長和繁殖無明顯關系的物質，如抗生素、毒素、激素、色素等。4、 分批發(fā)酵、補料分批發(fā)酵、連續(xù)發(fā)酵的特點和優(yōu)點？ 5、 工業(yè)發(fā)酵的一般流程是什么？菌種的選育，菌種培養(yǎng)基的配制，擴大培養(yǎng)和接種，發(fā)酵過程，分離提純第三講 工業(yè)微生物1、常用的發(fā)酵工業(yè)微生物有哪些？原生生物界及非細胞型微生物（病毒、噬菌體），主要是細菌、放線菌、酵母菌、霉菌、噬菌體、藻類等2、 發(fā)酵工業(yè)對生產菌種的要求？ （了解）產率高原料要易得、價廉發(fā)酵條件粗放菌種生長和發(fā)酵速度較快，發(fā)酵周期短：感染雜菌的機會減少，提高設備的利用率盡量誘變次數(shù)少，避免選擇缺陷型菌種純粹，穩(wěn)定性好菌種退化，生產性能下降是生產中常碰到的問題?？闺s菌能力強，如抗噬菌體不是病原菌，不產生有害物質和毒素使用新菌種時更應注意：應用食品領域更需經嚴格鑒定，早期醬油生產采用黃曲霉，現(xiàn)已停止3、 如何篩選出生產目標產品的菌株？菌株篩選的兩個關鍵問題？（重點）（如何從環(huán)境中篩選菌株？）定方案，采樣，增殖，分離，發(fā)酵性能測定（1）“分離什么和從哪里分離出所需微生物?” 羅列出所要分離的微生物類群根據(jù)所采集樣本的各種生態(tài)參數(shù)，描述所要分離的微生物之生態(tài)系統(tǒng)或棲息地土壤是理想的分離環(huán)境，不同的產物篩選時需要選取特別的環(huán)境，如纖維素酶產生菌、厭氧菌等（2）“如何篩選分離出所需微生物?” 篩選培養(yǎng)基的設計“篩子”有機酸生產菌、纖維素酶生產菌4、 什么是誘變育種？菌種誘變育種的方法？物理誘變，化學誘變，生物誘變物理誘變劑：射線如紫外線、X-射線、-射線，快中子,等離子體，超高靜壓化學因子：如堿基類似物、5氟尿嘧啶、烷化劑等（有效，經濟，但是致癌）生物誘變：原生質體融合，DNA重組技術6、 什么是菌種保藏？方法有哪些？根據(jù)菌種的生理、生化特點，人為地創(chuàng)造條件，使菌種的代謝活動處于不活潑狀態(tài)。菌種保藏方法：斜面低溫保藏法、液體石蠟保藏法、砂土管保藏法、冷凍干燥保藏法、液氮保藏法第四講 培養(yǎng)基1、什么是培養(yǎng)基？類型和用途？是提供微生物生長繁殖和生物合成各種代謝產物的所需要的，按一定比例配制的多種營養(yǎng)物質的混合物，提供微生物所需能量，包括碳源、氮源、無機元素、生長因子及水、氧氣等。按營養(yǎng)物質來源劃分：天然培養(yǎng)基，合成培養(yǎng)基，半合成培養(yǎng)基按物理性狀劃分：固體培養(yǎng)基（適合于菌種和孢子的培養(yǎng)和保存，也用于有子實體的真菌類（香菇、白木耳）的生產），液體培養(yǎng)基（8090%是水，配有可溶性的或不溶性的營養(yǎng)成分，是發(fā)酵工業(yè)大規(guī)模使用的培養(yǎng)基），半固體培養(yǎng)基（在液體培養(yǎng)基中加入0.50.8%的瓊脂，用于鑒定細菌、觀察細菌運動特征及噬菌體的效價滴度）按用途劃分：孢子培養(yǎng)基（是供菌種繁殖孢子的一種常用固體培養(yǎng)基，要求能使菌體迅速生長，產生較多優(yōu)質的孢子，營養(yǎng)不太豐富，常用的有麩皮培養(yǎng)基、小米培養(yǎng)基、大米培養(yǎng)基、玉米碎屑培養(yǎng)基、瓊脂斜面培養(yǎng)基），種子培養(yǎng)基（是供孢子發(fā)芽、生長和大量繁殖菌絲體，并使菌絲體長得粗壯，成為活力強壯的“種子”，一般采用營養(yǎng)豐富且完全的培養(yǎng)基），發(fā)酵培養(yǎng)基（供菌體生長、繁殖和合成產物之用，組成除有菌體生長所必需的元素和化合物之外，還要有合成產物所需的特定元素、前體和促進劑等）2、工業(yè)微生物常用培養(yǎng)基？（什么菌用什么培養(yǎng)基）細菌：牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基放線菌：高氏一號培養(yǎng)基酵母菌：麥芽汁培養(yǎng)基霉菌：查氏培養(yǎng)基3、營養(yǎng)源的成份及作用，舉例？（鑒別：屬于碳源？氮源？）碳源，氮源，無機鹽及微量元素，水，生長因子、前體、產物促進劑和抑制劑碳源：為微生物菌種的生長繁殖提供能源和合成菌體所必需的碳成分 為合成目的產物提供所需的碳成分分為：糖類、油和脂肪（油或脂肪被脂肪酶作用，水解為甘油和脂肪酸，油脂有消泡作用，缺氧會引起有機酸積累，PH下降）、有機酸、烴和醇類氮源：用于構成菌體細胞物質和含氮代謝物 有機氮源（在微生物分泌的蛋白酶作用下，消解成氨基酸，被菌體吸收后再進一步分解代謝 有機氮源營養(yǎng)豐富，還含有少量的維生素和生長因子 花生餅粉、黃豆餅粉、棉子餅粉、玉米漿（CSL）、玉米蛋白粉、蛋白胨、酵母粉、魚粉、蠶蛹粉、尿素、廢菌絲體和酒糟） 無機氮源，又稱快速氮源（銨鹽、硝酸鹽和氨水等；生理酸性物質與生物堿性物質；(NH4)2SO4、NaNO3）無機鹽及微量元素：鎂、磷、鈉、鉀、硫、鈣和氯 鈷、銅、鐵、錳、鋅、鉬 MgSO4、NaCl 、NaH2PO4、K2HPO4 TMS：trace metal solution水：良好的溶劑，溶解營養(yǎng)物質，細胞的滲透、分泌、排泄等作用都是以水為媒介，并且水直接參與代謝作用中的許多反應 水的比熱高，是熱的良導體，調節(jié)細胞的溫度 恒定的水源是發(fā)酵工廠的關鍵，水源質量很重要生長因子：氨基酸、嘌呤、嘧啶、維生素等 有機氮源是生長因子的重要來源 玉米漿中生長因子含量豐富前體：指某些化合物加入到發(fā)酵培養(yǎng)基中，能直接被微生物在生物合成過程中結合到產物分子中去，而其自身的結構并沒有多大變化，但是產物的產量卻因加入前體而有較大的提高 青霉素：苯乙酸、苯乙胺 （用法：前體普遍采用流加的方法，流加有利于提高前體的轉化率。）產物促進劑：產物促進劑是指那些非細胞生長所必須的營養(yǎng)物，又非前體，但加入后卻能提高產量的添加劑。 4、 發(fā)酵培養(yǎng)基選擇的基本原則？（理解）必須提供合成微生物細胞和發(fā)酵產物的基本成分有利于減少培養(yǎng)基原料的單耗，即提高單位營養(yǎng)物質所合成產物數(shù)量或最大產率有利于提高培養(yǎng)基和產物的濃度，以提高單位容積發(fā)酵罐的生產能力有利于提高產物的合成速度，縮短發(fā)酵周期盡量減少副產物的形成，便于產物的分離純化原料價格低廉，質量穩(wěn)定，取材容易所用原料盡可能減少對發(fā)酵過程中通氣攪拌的影響，利于提高氧的利用率，降低能耗有利于產品的分離純化，盡可能減少產生“三廢”的物質第五講 滅菌1、 什么是滅菌？培養(yǎng)過程中那些需要滅菌？滅菌的方法以及使用的范圍？（氣體用什么方法滅菌？培養(yǎng)基用什么方法滅菌？）所謂滅菌，是指用物理或化學方法殺滅或物料或設備中一切有生命物質的過程培養(yǎng)基滅菌、氣體除菌、設備及管道滅菌化學滅菌，射線滅菌，干熱滅菌，濕熱滅菌（細菌蛋白質在有水的情況下易于凝固變性濕熱穿透力強；濕熱蒸氣有潛熱存在，水蒸氣凝固成水釋放潛熱，迅速提高被滅菌物體的溫度），過濾除菌，火焰滅菌，物理方法：超高靜壓分批滅菌，連續(xù)滅菌空氣的除菌：壓縮，冷卻，減濕，過濾第六講 種子培養(yǎng)1、 種子定義？指將保存在砂土管、冷凍干燥管中處于休眠狀態(tài)的生產菌種接入試管斜面活化后，再經過扁瓶或搖瓶及種子罐逐級擴大培養(yǎng)而獲得一定數(shù)量和質量的純種過程。這些純種培養(yǎng)物稱為種子。 2、 種子質量要求。種子培養(yǎng)與發(fā)酵培養(yǎng)的目的與培養(yǎng)基的差異？質量要求：純；活力旺盛；有足夠的菌體濃度差異：要求種子培養(yǎng)至對數(shù)生長期中后期3、 接種齡？過于年輕或過老的種子對于發(fā)酵的影響？接種齡是指種子罐中培養(yǎng)的菌絲體開始移入下一級種子罐或發(fā)酵罐時的培養(yǎng)時間過于年輕的種子接入發(fā)酵罐后，往往會出現(xiàn)前期生長緩慢、整個發(fā)酵周期延長、產物開始形成的時間推遲，甚至會因菌絲量過少而在發(fā)酵罐內結球，造成異常發(fā)酵的情況接入種子罐中的種子，隨著培養(yǎng)時間的延長，菌絲增加，但由于基質的消耗、代謝產物的積累及菌絲體的死亡，菌絲量不再增加，而逐漸趨于老化。過老的種子會引起生產能力下降而菌絲過早自溶4、 接種量？對發(fā)酵的影響？接種量是指移入的種子液體積和接種后培養(yǎng)液體積的比例接種量的大小取決于菌種在發(fā)酵罐中生長繁殖的速度采用較大的接種量可以縮短發(fā)酵罐中菌絲繁殖到達高峰的時間，使產物的形成提前到來接種量大，有利于對基質的利用和產物的合成，生產菌迅速占據(jù)培養(yǎng)環(huán)境，減少了雜菌生長的機會接種量過多，菌絲生長過快，培養(yǎng)液黏度增加，造成溶解氧不足，而影響產物的合成接種量過小，除了延長發(fā)酵周期外，往往還會引起其它不正常情況第七講 發(fā)酵過程控制1、發(fā)酵熱的來源？（影響生物熱的因素）菌體，培養(yǎng)基，發(fā)酵時期2、 溫度對發(fā)酵過程的影響？從動力學角度來看，T升高，反應速度加快，生長繁殖快，產物提前合成；另一方面，T升高，酶失活愈快，菌體易于衰老，影響產物合成，失活愈快，周期縮短，產物最終產量少。 溫度通過影響發(fā)酵液的物理性質間接影響發(fā)酵，影響氧的溶解和傳遞，影響對基質的分解和吸收速度。影響生物合成方向 如:金色鏈霉菌35時，合成四環(huán)素； 彎葉 箭葉式翻動流體的能力：箭葉式 彎葉 平葉4、 夾套與蛇管在傳熱能力上的差異？夾套冷卻豎式蛇管冷卻豎式列管冷卻適用范圍5m3以下小發(fā)酵罐大型發(fā)酵罐大型發(fā)酵罐氣溫較高的地區(qū)優(yōu)點結構簡單，加工容易，罐內死角少，容易清洗滅菌流速大，傳熱系數(shù)大，降溫效果較好。加工方便，提高傳熱推動力的溫差。缺點傳熱壁較厚，冷卻水流速低，降溫效果差。冷卻水較高時，降溫困難，彎曲位置易腐蝕。用水量較大。5、 氣升式反應器的形式？氣升式反應器與通用式發(fā)酵罐的比較與應用？ 氣升環(huán)流式、塔式、空氣噴射式等特點：1）反應溶液分布均勻 2）較高的溶氧速率和溶氧效率 3）剪切力小 4）傳熱良好 5）結構簡單 6）能耗小 7）不易染菌 8）操作和維修方便 應用：酵母生產、單細胞蛋白生產、細胞培養(yǎng)、酶制劑和有機酸等發(fā)酵生產、廢水生化處理。6、 發(fā)酵罐的幾何放大計算規(guī)則？（1）幾何尺寸放大m = V2/V1H1/D1 = H2/D2 = AH2 / H1 = D2 / D1= m1/3（2）空氣流量的放大:以Kla=常數(shù)的原則進行放大(VVM)2/ (VVM)1 = (D1/D2)2/3 * (P2/P1) （3）采用單位培養(yǎng)液體積通氣功率相等的原則P2 = P1 * (d2/d1)2.765 * (g)2/(g)10.24第九章 檸檬酸生產（必考）1、檸檬酸發(fā)酵生產的必要條件？ 糖源濃度高：120250g/L磷酸鹽濃度低:0.2-1.0g/L氮源用NH4+鹽:2.0g/LpH值低:1.6-2.2溶氧量高:金屬離子濃度極低: Mn2+10-8M;Fe2+10-4M;Zn2+10-20%7、 碳源、pH、金屬離子的控制與機理？碳源的種類和濃度是檸檬酸生產成功的最關鍵的參數(shù)?？刂铺荚吹臐舛葢?00-150g/L,如果糖的濃度低，海藻糖6-磷酸積累，會抑制己糖激酶；如果糖濃度高，抑制將被抵消。檸檬酸的生產要求低pH：pH3.0以上容易產生草酸，pH5.0容易形成葡糖酸，pH3以下是積累檸檬酸的條件，所以在長菌期完成以后使pH降到3以下是重要的，至少要降到3.5檸檬酸生產應控制金屬離子的濃度：錳離子的缺乏會降低HMP途徑和三羧酸循環(huán)酶的活性，也會導致某些合成代謝的減弱，尤其是細胞內HN4+水平升高，這很可能是蛋白質的合成受干擾，從而導致蛋白質的分解相應增加。高濃度的HN4+是磷酸果糖激酶PFK的一種調節(jié)因子，它能解除前述檸檬酸根對PFK的抑制；烏頭酸水合酶失活，三羧酸循環(huán)阻斷是積累檸檬酸的必要條件之一。烏頭酸水合酶需要Fe2+，將含量高的原料（如糖蜜）用亞鐵氫化鉀除鐵，可以提高檸檬酸產率。3、為什么要變溫培養(yǎng)？黑曲霉屬于嗜溫微生物，最適生長溫度為33-37積累檸檬酸的最適溫度多數(shù)報道為32產酸期如果仍維持高于32 ，雖然開始檸檬酸生成較快，但長菌也較快，導致菌體量增加，大量的糖被用來生成菌體和呼吸，氧化成CO和水只從檸檬酸產率的角度考慮，產酸期的溫度應維持在26 左右，這樣可提高產酸率10-20%，但發(fā)酵期延長約2-3天4、檸檬酸發(fā)酵是典型的好氧發(fā)酵過程，過程中對氧要求非常高，是什么原因？黑曲霉中除了具有一條標準呼吸鏈以外，還有一條側系呼吸鏈，通過側鏈呼吸不產生ATP，不會抑制磷酸果糖激酶。在生產中發(fā)現(xiàn)，只要通氣中斷很短時間，會導致側系呼吸鏈的不可逆失活，使得黑曲霉只能利用標準呼吸鏈 ，NADH通過標準呼吸鏈氧化產生ATP，會抑制磷酸果糖激酶。因此缺氧，甚至是暫時的缺氧即會導致檸檬酸產率的急劇下降，而對菌體生長并無負的影響。因此發(fā)酵中必須維持高濃度溶氧。5、 如何篩選利用淀粉質原料的高產檸檬酸菌株。菌樣來源：腐爛植物、水果表皮、從含有腐爛未熟水果的酸性土壤中分離。菌種分離： 含菌樣品經適當?shù)脑鲋撑囵B(yǎng)，或將樣品浸出稀釋液100mL和10薯干粉、10檸檬酸混合。在振蕩搖床上于33-35下“富集”培養(yǎng)3-5d然后進行平板劃線或者平板稀釋分離篩選。從分離篩選平板上，挑出單一菌落，移接于麥芽汁瓊脂斜面上，于33培養(yǎng)6-7d孢子長好后，分別接入三角瓶，搖瓶發(fā)酵試驗(初篩、復篩)，從中篩選出產檸檬酸高、糖轉化率高、且產酸穩(wěn)定性強的菌種，作為生產用菌株。第十章 丁二酸生產1、如何從瘤胃中篩選高產丁二酸的生產菌株瘤胃菌群富集培養(yǎng)（丁二酸二鈉、莫能菌素、富馬酸二鈉）平板初篩（溴百里香酚藍）復篩菌株A326.5g/L丁二酸、1.6g/L乳酸、3.6g/L甲酸、17.4g/L乙酸（50g/L葡萄糖）2、 增強CO2供給和減少有機酸的抑制作用是丁二酸發(fā)酵過程中兩個關鍵的問題。CO2 的供給：含有CO2 的培養(yǎng)環(huán)境有利于菌的生長；最佳CO2 供給條件： 減少有機酸的抑制作用：甲酸、乙酸、丁二酸的合成都屬于與生長部分相關型。 3、 有機酸生產中厭氧與好氧方式的異同？（丁二酸的生產比較，總結）環(huán)境不同（氧化還原電位、pH、溶氧等），動力能耗不同，產物不同，關鍵是菌種不同。4、 丁二酸的生產過程是典型的厭氧過程，產品收率高。試從厭氧發(fā)酵的機理上解釋其收率較好氧發(fā)酵為高的原理？（總結）好氧發(fā)酵消耗大量的氧氣排出二氧化碳，厭氧發(fā)酵中無二氧化碳的排出，大量的碳進入細胞。好氧發(fā)酵中NADH中的H與氧氣結合生成水，而厭氧發(fā)酵中的NADH中H變成最終產物。厭氧發(fā)酵中菌體合成少，大量的碳進入產物。第十一講 抗生素發(fā)酵1、抗生素的定義、合成方法及類型 抗生素：指由細菌、真菌或其他微生物在生長過程中產生具有殺滅和抑制病原體的微生物產物，或使用化學方法半合成的衍生物和全合成的仿制品。例如青霉素、鏈霉素、紅霉素等。合成方法：生物合成（微生物發(fā)酵）；化學全合成；半合成方法a、-內酰胺類(-lactam )：青霉素類、頭孢菌素類，包含一個四元內酰胺環(huán)b、氨基糖苷類(Aminoglycosides)：鏈霉素、慶大霉素，既含有氨基糖苷，也含有氨基環(huán)醇c、大環(huán)內酯類(Macrolides)：紅霉素、麥迪加霉素，含有一個大環(huán)內酯作配糖體，以苷鍵和1-3個分子的糖相連d、四環(huán)類(Tetracyclines) ：四環(huán)素、土霉素，以四并苯為母核e、多肽類(Peptides) ：多粘菌素、桿菌肽，含有多種氨基酸，經肽鍵縮合成線狀、環(huán)狀或帶側鏈的環(huán)狀多肽2、發(fā)酵生產過程中溫度的控制？pH是如何調節(jié)的？溫度控制：前期25-26，后期23pH控制：一般為6.4-6.6，加酸加堿以及加葡萄糖控制3、 什么是前體？青霉素的前體是什么，加入的目的，如何加入？前體：菌體利用其構成抗生素分子中的一部分而其本身沒有顯著改變的物質，一定條件下控制菌體合成抗生素的方向并增加抗生素的產量。青霉素的前體：苯乙酸，苯乙酰胺，苯乙酰酯類、醇類等加入目的：